anwenderreportage

DC-Kleinstmotoren helfen beim Greifen

Anschmiegsames „Exoskelett“ entlastet die Hand Exoskelette, die wie Kleidung am Körper getragen werden, entlasten durch Kraftunterstützung ihre Träger. Da Muskel-Skelett-Erkrankungen in vielen Branchen zu den häufigsten Ursachen für Krankschreibungen oder gar Arbeitsunfähigkeit zählen, können sie dazu beitragen, krankheitsbedingte Ausfallzeiten zu mindern und Beschäftigte dabei unterstützen, länger gesund zu arbeiten. Mittlerweile gibt es dafür anschmiegsame Robotik-Handschuhe, die sehr angenehm zu tragen sind. Sie erhöhen die Griffkraft deutlich und sorgen vor allem bei repetitiven Tätigkeiten für spürbare Entlastung. Die Greifkraftunterstützung der einzelnen Fingerglieder übernehmen leistungsstarke DC-Kleinstantriebe von Faulhaber.

Bei manuellen Arbeiten wird jeder Handgriff vom Zusammenspiel der Muskeln in Unterarm und Hand ermöglicht. Die Muskeln bewegen dann über Sehnen die Fingerglieder. Im Prinzip funktioniert der Ironhand-Handschuh genauso. Er arbeitet mit der von Bioservo entwickelten, patentierten SEM™-Technologie (Soft Extra Muscle). (Bild: Bioservo)

Bei manuellen Arbeiten wird jeder Handgriff vom Zusammenspiel der Muskeln in Unterarm und Hand ermöglicht. Die Muskeln bewegen dann über Sehnen die Fingerglieder. Im Prinzip funktioniert der Ironhand-Handschuh genauso. Er arbeitet mit der von Bioservo entwickelten, patentierten SEM™-Technologie (Soft Extra Muscle). (Bild: Bioservo)

Shortcut:

Aufgabenstellung:
Leistungsstarke Kleinstmotoren für die Entwicklung von Exoskelette.

Lösung:
DC-Kleinstmotoren von Faulhaber.

Nutzen:
Die DC-Kleinstmotoren bieten im Verhältnis zu ihrer Größe und ihrem Gewicht höhere Leistungen und Drehmomente als konventionelle Ausführungen.

EU-weit gilt repetitive Arbeit als großer gesundheitlicher Risikofaktor. Das Bundesamt für Arbeitsschutz und Arbeitsmedizin hält Muskel-Skelett-Erkrankungen (MSE) für die häufigste Ursache für eingeschränkte Einsatzfähigkeiten im Beruf, Schwerbehinderungen, vorzeitigem Ruhestand und zeitweise Arbeitsunfähigkeit. Laut einer Erhebung der Europäischen Agentur für Sicherheit und Gesundheitsschutz leiden am Arbeitsplatz etwa 45 % der Befragten unter schmerzenden oder ermüdenden Körperhaltungen, 25 % unter Rückenschmerzen und 20 % unter Muskelschmerzen. Studien zufolge könnte bis 2030 jeder Zweite von solchen MSE-bedingten Erkrankungen betroffen sein, zumal auch der demografische Wandel eine Rolle spielt. Die Gesellschaft wird immer älter und steht länger im Berufsleben. Eine verbesserte Ergonomie am Arbeitsplatz gewinnt dadurch mehr Bedeutung, sowohl für gesunde als auch für körperlich bereits eingeschränkte Personen. Neben Lösungen, die den eigentlichen Arbeitsplatz ergonomischer machen – z. B. Schreibtisch, Werkbank oder Fließband – setzen Unternehmen verstärkt auf Augmentation, also Verfahren, die Muskeln und Sehnen unterstützen. Exoskelette, die wie Kleidung am Körper getragen werden, sind hier ein vielversprechender Ansatz. Ein Beispiel dafür liefert die schwedische Firma Bioservo Technologies, die mit der Ironhand ein weiches, aktives Exoskelett für Hände und Finger entwickelt hat, das sich wie ein Handschuh trägt.

Akkupack, Steuereinheit und Motoren sind in einem Rucksack untergebracht, der sich bequem tragen lässt. Per Knopfdruck auf die im Brustbereich angebrachte Fernbedienung kann zwischen verschiedenen Nutzerprofilen gewechselt werden. (Bild: Bioservo)

Akkupack, Steuereinheit und Motoren sind in einem Rucksack untergebracht, der sich bequem tragen lässt. Per Knopfdruck auf die im Brustbereich angebrachte Fernbedienung kann zwischen verschiedenen Nutzerprofilen gewechselt werden. (Bild: Bioservo)

Spezialist für Kleinstmotoren

Faulhaber ist spezialisiert auf Entwicklung, Produktion und Einsatz von hochpräzisen Klein- und Kleinstantriebssystemen, Servokomponenten und Steuerungen bis zu etwa 250 Watt Abgabeleistung. Dazu zählt die Realisierung von kundenspezifischen Komplettlösungen ebenso wie ein umfangreiches Programm an Standardprodukten wie bürstenlose Motoren, DC-Kleinstmotoren, Encoder und Motion Controller. Die Marke Faulhaber gilt weltweit als Zeichen für hohe Qualität und Zuverlässigkeit in komplexen und anspruchsvollen Anwendungsgebieten wie Medizintechnik, Fabrikautomation, Präzisionsoptik, Telekommunikation, Luft- und Raumfahrt sowie Robotik. Vom leistungsstarken DC-Motor mit 224 mNm Dauerdrehmoment bis zum filigranen Mikroantrieb mit 1,9 mm Außendurchmesser umfasst das Faulhaber Standardportfolio mehr als 25 Mio. Möglichkeiten, ein optimales Antriebssystem für eine Anwendung zusammenzustellen. Dieser Technologiebaukasten ist zugleich die Basis für Modifikationen, um auf besondere Kundenwünsche für Sonderausführungen eingehen zu können.

Individuell und vielseitig: mehr Kraft in der Hand

Bei manuellen Arbeiten wird jeder Handgriff vom Zusammenspiel der Muskeln in Unterarm und Hand ermöglicht. Die Muskeln bewegen dann über Sehnen die Fingerglieder. Im Prinzip funktioniert der Ironhand-Handschuh genauso. Er arbeitet mit der von Bioservo entwickelten, patentierten SEM™-Technologie (Soft Extra Muscle): Druckempfindliche Sensoren in den Fingerspitzen des Handschuhs erkennen, welche Greifbewegung der Nutzer mit der Hand ausführen will. Die Systemsteuerung berechnet die zusätzlich notwendige Griffkraft und Kleinstmotoren ziehen dünne Kabel in den Fingergliedern des Handschuhs. Je höher der Druck auf die Sensoren ist, desto mehr Leistung liefert die Ironhand. Sie kann dabei individuell auf persönliche Präferenzen sowie die Art der auszuführenden Arbeit eingestellt werden. Alle Informationen werden zudem im Steuerungssystem geloggt. Es lässt sich also nachvollziehen, wer, wann, wie viel Kraft aufgewendet hat. Das ermöglicht eine digitale Risikobewertung der Hand. Griffintensive Anwendungsfälle mit hohem ergonomischem Risiko lassen sich durch die Analyse der Daten in der Praxis identifizieren und man kann entsprechend gegensteuern. Außerdem wird es möglich, manuelle Arbeit in Industrie 4.0-Konzepte zu integrieren.

Treibende Kraft der Fingerglieder des Ironhand-Handschuhs: Die kleinen Motoren mit nur 17 mm Durchmesser erreichen im Verhältnis zu ihrer Größe und ihrem Gewicht höhere Leistungen und Drehmomente als konventionelle Ausführungen. (Bild: Faulhaber)

Treibende Kraft der Fingerglieder des Ironhand-Handschuhs: Die kleinen Motoren mit nur 17 mm Durchmesser erreichen im Verhältnis zu ihrer Größe und ihrem Gewicht höhere Leistungen und Drehmomente als konventionelle Ausführungen. (Bild: Faulhaber)

Martin Remning Wahlstedt
Development Director bei Bioservo

„Wir haben uns bei der Entwicklung der Ironhand für die Antriebe von Faulhaber entschieden, da wir mit diesen schon immer sehr gute Erfahrungen gemacht haben und uns eine langjährige Zusammenarbeit mit dem Antriebsspezialisten und seinem schwedischen Vertriebspartner Compotech verbindet.“

Unterschiedliche Profile per Knopfdruck auswählen

Den Handschuh, der sich für Rechts- und Linkshänder eignet, gibt es in vier verschiedenen Größen. Akkupack, Steuereinheit und Motoren sind in einem Rucksack untergebracht, der sich bequem tragen lässt. Nutzer können verschiedene Profile voreinstellen, z. B. mit unterschiedlichen Kombinationen aus Sensorempfindlichkeit, Kraft und Fingersymmetrie. Um die Profile zu wechseln, reicht ein Knopfdruck auf die im Brustbereich angebrachte Fernbedienung. Über diese Profile ist es beispielsweise möglich, im Laufe eines Arbeitstages flexibel auf unterschiedliche Anforderungen zu reagieren. Etwa, wenn man am Vormittag leicht belastende Aufgaben durchführt und am Nachmittag Tätigkeiten anstehen, die die Muskulatur stark belasten. Auch können so verschiedene Nutzer mit einem System arbeiten.

Maximal kann das System innerhalb von Millisekunden 80 N Griffkraft zur Verfügung stellen. Dabei ist es so gestaltet, dass es das Tragen der persönlichen Schutzausrüstung (PSA), etwa Schutzhandschuhe, Absturzsicherungen, Helme oder Warnkleidung nicht behindert. Für Pausen kann es ohne fremde Hilfe an- und abgelegt werden. Die Leistung der Akkus im Netzteil sind für einen typischen Arbeitstag ausgelegt.

Leistungsstarker Antrieb mit kompakten Abmessungen

Um die einzelnen Fingerglieder zu bewegen, setzt das schwedische Unternehmen DC-Kleinstmotoren aus dem Programm des Antriebsspezialisten Faulhaber ein. Die grafitkommutierten Motoren der Serie 1741 CXR sind mit 17 mm Durchmessern und 41,2 mm Länge besonders leicht und kompakt. Durch die Konstruktion als Glockenankermotor mit der patentierten, freitragenden Rotorspule mit Schrägwicklung, die um einen ruhenden Magneten rotiert, kann fast der gesamte Motordurchmesser für die elektrische Spulenwicklung genutzt werden. Dadurch erreichen die Motoren im Verhältnis zu ihrer Größe und ihrem Gewicht höhere Leistungen und Drehmomente als konventionelle Ausführungen. Die kleinen Motoren liefern je nach Variante Dauerdrehmomente bis etwa 40 mNm.

Der Begriff „Grafitkommutierung“ bezieht sich auf das verwendete Bürstenmaterial in Kombination mit einem Kommutator aus einer Kupferlegierung. Dieses Kommutierungssystem ist sehr robust und eignet sich besonders für dynamische Hochleistungsapplikationen mit schnellem Start-/Stoppbetrieb, wie es die Bewegung der Fingerglieder des Handschuhs fordert. Martin Remning Wahlstedt, Development Director bei Bioservo, haben diese Eigenschaften der Motoren überzeugt: „Wir haben uns bei Ironhand aber auch dafür entschieden, weil wir mit Faulhaber Antrieben schon immer sehr gute Erfahrungen gemacht haben und uns eine langjährige Zusammenarbeit mit dem Antriebsspezialisten und seinem schwedischen Vertriebspartner Compotech verbindet.“

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